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猕猴大脑如何“导航”手的运动？中国团队研究首揭神经编码机制
中新网北京4月23日电(记者 孙自法)中国科学院自动化研究所(自动化所)4月23日发布消息说，由该所牵头的联合研究团队通过记录猕猴执行自然抓取任务时的神经活动，首次发现在大脑的运动皮层中存在一种类似全球定位系统(GPS)的神经编码机制，能够在抓取过程中实时表征手在空间中的位置。
这一神经科学领域重要研究发现，为理解大脑如何控制运动提供了全新的视角，并为脑机接口的设计和机器人运动控制带来重要启发。相关成果论文由中国科学院自动化所、解放军第九医学中心、吉林大学第一医院等科研合作伙伴完成，近日已在国际学术期刊《自然-通讯》发表。
论文第一作者、中国科学院自动化所博士研究生曹盛浩介绍说，人类以及猕猴等灵长类动物的手臂可以灵巧地执行各种抓取任务。大脑如何规划和执行这些任务一直是神经科学的核心问题之一。此前的研究表明，大脑海马体中的“位置细胞”能够为身体导航提供空间信息，帮助动物构建认知地图。然而，对于手等身体部位的运动，是否存在类似的导航框架一直是个未解之谜。
本项研究中，合作团队通过在4只猕猴的大脑背侧前运动皮层(PMd)植入微电极阵列，记录它们在自然抓取任务中的神经活动，并通过多个摄像头记录猕猴手部的运动轨迹，从而分析了PMd神经元在抓取任务中的活动模式。
研究发现，约22%的PMd神经元在手部处于特定空间位置时活动显著增强，形成了“位置野”(即当猕猴手部进入所在环境中的特定空间时，对应的位置细胞都被发现激活)。这些神经元能够实时、高效地表征运动中的手位置，仅使用50个最活跃的位置神经元(约占总记录神经元的10%)，就能以80%的准确率解码手部运动轨迹。该结果表明，手位置信息在PMd中以“位置野”编码的形式存在，类似于海马体中用于导航的位置细胞。
进一步研究发现，手位置信息与手的运动方向、速度和抓取目标的位置等信息在同一个PMd神经元群体中共同编码。这种混合编码方式使得大脑能够同时考虑空间信息和运动信息，从而实现高效的运动规划和执行。这一混合编码方式也正是海马体在空间导航任务中所采用的方式，提示大脑利用相似的神经计算框架实现不同尺度上的空间导航。
研究团队表示，本项研究结果也为脑机接口和机器人发展提供了新的思路。通过解码这些位置神经元的活动，未来可能实现更精准高效的神经假肢控制，同时，可以基于大脑的运动导航原理，设计更加灵巧的机械臂控制算法。(完)
【编辑:张子怡】